Lớp 12 · Hoá Học
Bài 20
Kim loại trong tự nhiên và phương pháp tách kim loại
Trạng thái tự nhiên của kim loại và các loại quặng; nguyên tắc chung tách kim loại và bốn phương pháp: điện phân nóng chảy, nhiệt luyện, điện phân dung dịch, thuỷ luyện; cùng ý nghĩa của việc tái chế kim loại.
1
Kim loại trong tự nhiên và khái niệm quặng
▼
▸ Trong tự nhiên, kim loại tồn tại ở 2 dạng:
| Dạng tồn tại | Đặc điểm | Ví dụ |
|---|---|---|
| Dạng hợp chất | Chiếm đa số, nằm trong quặng (oxide, sulfide, chloride, carbonate...) | Fe, Al, Cu, Zn, Na, Ca... |
| Dạng đơn chất | Chỉ một số ít kim loại có tính khử yếu (đứng cuối dãy điện hoá) | Au, Ag, Pt |
💡
Kim loại tồn tại ở dạng đơn chất trong tự nhiên đều có mức độ hoạt động hoá học yếu (thế điện cực chuẩn dương lớn) nên khó bị tự nhiên oxi hoá.
▸ 7 kim loại phổ biến nhất trong vỏ Trái Đất (giảm dần):
Al>
Fe>
Ca>
Na>
Mg>
K>
Ti
QUẶNG LÀ GÌ?
Quặng là những loại đất, đá trong tự nhiên có chứa khoáng vật của kim loại (hoặc hợp chất kim loại) với trữ lượng đủ lớn để có thể khai thác. Quặng thường lẫn tạp chất (đất, đá, cát...).
2
Một số quặng kim loại thông dụng và phân loại
▼
| Kim loại | Tên quặng | Thành phần chính |
|---|---|---|
| Al | Bauxite | $\text{Al}_2\text{O}_3 \cdot 2\text{H}_2\text{O}$ |
| Fe | Hematite | $\text{Fe}_2\text{O}_3$ |
| Fe | Magnetite | $\text{Fe}_3\text{O}_4$ |
| Fe | Pyrite | $\text{FeS}_2$ |
| Zn | Zinc blende | $\text{ZnS}$ |
| Cu | Chalcopyrite | $\text{CuFeS}_2$ |
| Na | Halite (muối mỏ) | $\text{NaCl}$ |
| Ca | Calcite (đá vôi) | $\text{CaCO}_3$ |
▸ Phân loại quặng theo thành phần hoá học:
| Loại quặng | Ví dụ |
|---|---|
| Quặng oxide | Bauxite ($\text{Al}_2\text{O}_3 \cdot 2\text{H}_2\text{O}$), Hematite ($\text{Fe}_2\text{O}_3$) |
| Quặng sulfide | Zinc blende ($\text{ZnS}$), Pyrite ($\text{FeS}_2$), Chalcopyrite ($\text{CuFeS}_2$) |
| Quặng chloride | Halite ($\text{NaCl}$), Sylvite ($\text{KCl}$) |
| Quặng carbonate | Calcite ($\text{CaCO}_3$), Dolomite ($\text{CaCO}_3 \cdot \text{MgCO}_3$) |
3
Nguyên tắc chung và cách chọn phương pháp tách
▼
Nguyên tắc chung tách kim loại
$\boxed{\text{M}^{n+} + ne \rightarrow \text{M}}$ (khử ion kim loại thành nguyên tử)
🔋
Nguồn cung cấp electron để khử ion: chất khử mạnh hơn (Al, Zn, C, CO, $\text{H}_2$...) hoặc dòng điện một chiều (trong điện phân).
▸ Chọn phương pháp dựa vào mức độ hoạt động của kim loại:
KIM LOẠI MẠNH
K, Na, Ca, Mg, Al
K, Na, Ca, Mg, Al
Điện phân nóng chảy
KIM LOẠI TRUNG BÌNH
Zn, Fe, Sn, Pb, Ni
Zn, Fe, Sn, Pb, Ni
Nhiệt luyện / Điện phân dung dịch
KIM LOẠI YẾU
Cu, Ag, Au, Hg
Cu, Ag, Au, Hg
Thuỷ luyện / Điện phân dung dịch / Nhiệt luyện
4
Phương pháp điện phân nóng chảy (kim loại mạnh)
▼
⚡
Dùng cho kim loại hoạt động mạnh (K, Na, Ca, Mg, Al). Các kim loại này có tính khử rất mạnh nên không thể dùng chất khử thông thường, phải dùng dòng điện để cung cấp electron.
▸ a) Điện phân oxide nóng chảy — điều chế Al:
Điện phân $\text{Al}_2\text{O}_3$ nóng chảy (có cryolite)
Cathode (−)
$\text{Al}^{3+} + 3e \rightarrow \text{Al}$
(nhôm lỏng)
(nhôm lỏng)
Anode (+)
$2\text{O}^{2-} \rightarrow \text{O}_2 + 4e$
(khí oxygen)
(khí oxygen)
$2\text{Al}_2\text{O}_3 \xrightarrow{\text{đpnc}} 4\text{Al} + 3\text{O}_2 \uparrow$
🧪
Vai trò của cryolite ($\text{Na}_3\text{AlF}_6$): (1) hạ nhiệt độ nóng chảy (từ ~2050°C xuống ~900°C); (2) tăng độ dẫn điện; (3) tạo lớp bảo vệ nhôm lỏng khỏi bị oxi hoá bởi không khí.
🔥
Sau một thời gian phải thay anode than chì vì khí $\text{O}_2$ sinh ra ở nhiệt độ cao đốt cháy điện cực: $\text{C} + \text{O}_2 \xrightarrow{t^{\circ}} \text{CO}_2$.
▸ b) Điện phân muối chloride nóng chảy — điều chế Na, K, Ca, Mg:
Điện phân NaCl nóng chảy
Cathode (−)
$\text{Na}^+ + e \rightarrow \text{Na}$
Anode (+)
$2\text{Cl}^- \rightarrow \text{Cl}_2 + 2e$
$2\text{NaCl} \xrightarrow{\text{đpnc}} 2\text{Na} + \text{Cl}_2 \uparrow$
$\text{MgCl}_2 \xrightarrow{\text{đpnc}} \text{Mg} + \text{Cl}_2 \uparrow$
$\text{MgCl}_2 \xrightarrow{\text{đpnc}} \text{Mg} + \text{Cl}_2 \uparrow$
Sơ đồ thùng điện phân $\text{Al}_2\text{O}_3$ nóng chảy sản xuất nhôm trong công nghiệp.
5
Phương pháp nhiệt luyện (kim loại trung bình)
▼
🔥
Dùng cho kim loại hoạt động trung bình, yếu (Zn, Fe, Sn, Pb, Cu...). Nguyên tắc: khử oxide kim loại ở nhiệt độ cao bằng các chất khử C, CO, $\text{H}_2$ hoặc kim loại mạnh hơn (Al).
| Chất khử | Đặc điểm / ứng dụng |
|---|---|
| Carbon (C) | Rẻ, dễ kiếm — luyện Zn, Fe |
| CO | Khử nhiều oxide — luyện gang trong lò cao |
| $\text{H}_2$ | Cho kim loại tinh khiết — điều chế Cu, W |
| Al (nhiệt nhôm) | Khử được oxide khó khử — điều chế Cr, Mn |
▸ Ví dụ — tách kẽm từ quặng zinc blende:
$2\text{ZnS} + 3\text{O}_2 \xrightarrow{t^{\circ}} 2\text{ZnO} + 2\text{SO}_2$ (đốt quặng)
$\text{ZnO} + \text{C} \xrightarrow{t^{\circ}} \text{Zn} + \text{CO}$ (khử oxide)
$\text{ZnO} + \text{C} \xrightarrow{t^{\circ}} \text{Zn} + \text{CO}$ (khử oxide)
▸ Ví dụ — luyện gang từ quặng hematite (lò cao):
$\text{C} + \text{O}_2 \xrightarrow{t^{\circ}} \text{CO}_2$ ; $\text{CO}_2 + \text{C} \xrightarrow{t^{\circ}} 2\text{CO}$
$\text{Fe}_2\text{O}_3 + 3\text{CO} \xrightarrow{t^{\circ}} 2\text{Fe} + 3\text{CO}_2$
$\text{Fe}_2\text{O}_3 + 3\text{CO} \xrightarrow{t^{\circ}} 2\text{Fe} + 3\text{CO}_2$
Sơ đồ lò cao luyện gang từ quặng hematite.
6
Phương pháp điện phân dung dịch (kim loại trung bình, yếu)
▼
🔌
Dùng cho kim loại trung bình, yếu (Zn, Cu, Ag...). Nguyên tắc: điện phân dung dịch muối của kim loại cần điều chế.
Điện phân dung dịch $\text{CuSO}_4$ (điện cực trơ)
Cathode (−)
$\text{Cu}^{2+} + 2e \rightarrow \text{Cu}$
(Cu đỏ bám vào cực)
(Cu đỏ bám vào cực)
Anode (+)
$2\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{O}_2 + 4\text{H}^+ + 4e$
(bọt khí thoát ra)
(bọt khí thoát ra)
$2\text{CuSO}_4 + 2\text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{đpdd}} 2\text{Cu} + \text{O}_2 \uparrow + 2\text{H}_2\text{SO}_4$
📌
Tại anode, ion $\text{SO}_4^{2-}$ không bị điện phân nên nước bị oxi hoá thay thế (sinh $\text{O}_2$). Tương tự, đp dung dịch $\text{AgNO}_3$: $4\text{AgNO}_3 + 2\text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{đpdd}} 4\text{Ag} + \text{O}_2 \uparrow + 4\text{HNO}_3$.
Sơ đồ điện phân dung dịch $\text{CuSO}_4$ với điện cực trơ.
7
Phương pháp thuỷ luyện (kim loại yếu) & bảng tổng hợp
▼
💧
Dùng cho kim loại yếu (Cu, Ag, Au...). Nguyên tắc: hoà tan hợp chất kim loại vào dung dịch thích hợp, rồi dùng kim loại mạnh hơn (Fe, Zn...) khử ion kim loại yếu trong dung dịch.
▸ Ví dụ — dùng Fe tách Cu từ dung dịch $\text{CuSO}_4$:
$\text{Fe} + \text{CuSO}_4 \rightarrow \text{FeSO}_4 + \text{Cu}$
(ion rút gọn: $\text{Fe} + \text{Cu}^{2+} \rightarrow \text{Fe}^{2+} + \text{Cu}$)
(ion rút gọn: $\text{Fe} + \text{Cu}^{2+} \rightarrow \text{Fe}^{2+} + \text{Cu}$)
▸ Bảng tổng hợp 4 phương pháp tách kim loại:
| Phương pháp | Đối tượng | Ví dụ |
|---|---|---|
| Điện phân nóng chảy | K, Na, Ca, Mg, Al | $2\text{Al}_2\text{O}_3 \xrightarrow{\text{đpnc}} 4\text{Al} + 3\text{O}_2$ |
| Nhiệt luyện | Zn, Fe, Sn, Pb | $\text{Fe}_2\text{O}_3 + 3\text{CO} \xrightarrow{t^{\circ}} 2\text{Fe} + 3\text{CO}_2$ |
| Điện phân dung dịch | Zn, Cu, Ag | $2\text{CuSO}_4 + 2\text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{đpdd}} 2\text{Cu} + \text{O}_2 + 2\text{H}_2\text{SO}_4$ |
| Thuỷ luyện | Cu, Ag, Au | $\text{Fe} + \text{Cu}^{2+} \rightarrow \text{Fe}^{2+} + \text{Cu}$ |
8
Phương pháp giải các dạng bài tập
▼
🧩 Dạng 1 — Xác định phương pháp điều chế
Xét mức độ hoạt động → chọn: KL mạnh (K, Na, Ca, Mg, Al) → điện phân nóng chảy; KL trung bình (Zn, Fe...) → nhiệt luyện / điện phân dung dịch; KL yếu (Cu, Ag, Au) → thuỷ luyện / điện phân dung dịch.
🧩 Dạng 2 — Viết phương trình điện phân
Cathode (−): cation nhận e (quá trình khử). Anode (+): anion nhường e (quá trình oxi hoá). Trong dung dịch: $\text{SO}_4^{2-}$, $\text{NO}_3^-$ không bị điện phân → nước bị oxi hoá thay.
VD: $\text{CuCl}_2 \xrightarrow{\text{đpdd}} \text{Cu} + \text{Cl}_2$.
🧩 Dạng 3 — Viết phương trình nhiệt luyện
Quặng oxide → khử trực tiếp bằng C, CO, $\text{H}_2$. Quặng sulfide → đốt thành oxide rồi mới khử.
VD (pyrite): $4\text{FeS}_2 + 11\text{O}_2 \xrightarrow{t^{\circ}} 2\text{Fe}_2\text{O}_3 + 8\text{SO}_2$ ; rồi $\text{Fe}_2\text{O}_3 + 3\text{CO} \xrightarrow{t^{\circ}} 2\text{Fe} + 3\text{CO}_2$.
🧩 Dạng 4 — Bài tập tính toán điều chế
Viết PTHH → tính số mol → dùng tỉ lệ mol. Nếu có hiệu suất: $m_{\text{thực tế}} = m_{\text{lí thuyết}} \times H\%$.
VD: khử MO bằng $\text{H}_2$ thu 1,96 g M và 0,63 g $\text{H}_2\text{O}$ → $n_{\text{H}_2\text{O}} = 0{,}035$ → $M = \dfrac{1{,}96}{0{,}035} = 56$ → Fe.
🧩 Dạng 5 — Thuỷ luyện (tăng – giảm khối lượng)
Lập $\Delta m = m_{\text{kim loại bám vào}} - m_{\text{kim loại tan ra}}$ rồi giải tìm số mol.
VD: $\text{Zn} + 2\text{AgNO}_3 \rightarrow \text{Zn(NO}_3)_2 + 2\text{Ag}$: nếu $\text{AgNO}_3$ phản ứng x mol thì $\Delta m = 108x - 65 \cdot 0{,}5x = 75{,}5x$.
★
Tái chế kim loại & tổng kết
▼
▸ Quy trình tái chế kim loại (6 giai đoạn):
1Thu gom, phân loại
2Xử lí sơ bộ
3Phối trộn phế liệu
4Nấu chảy
5Tinh chế
6Đúc, chế tạo
♻️
Ưu điểm của tái chế: bảo tồn tài nguyên (thay thế quặng), tiết kiệm năng lượng (giá trị kinh tế cao), giảm phát thải ô nhiễm (bảo vệ môi trường). Sắt là kim loại được tái chế nhiều nhất; nhôm và đồng tái chế được nhiều lần mà ít mất tính chất.
| Nhóm kim loại | Phương pháp điều chế |
|---|---|
| K, Na, Ca, Mg, Al | Điện phân nóng chảy |
| Zn, Fe, Sn, Pb | Nhiệt luyện / điện phân dung dịch |
| Cu, Ag, Au | Thuỷ luyện / điện phân dung dịch / nhiệt luyện |
📚
Muốn ôn lại lý thuyết đầy đủ, xem thêm công thức, mẹo ghi nhớ và ví dụ chi tiết, hãy đọc bài lý thuyết Bài 20 trên Edus.vn nhé!
Đọc bài chi tiết →
1
—
Điểm: 0/27
⚗️
Cùng luyện Bài 20 – Phương pháp tách kim loại!
27 câu: 22 trắc nghiệm · 2 đúng/sai · 3 tự luận
🏆
Tuyệt vời!
0/27
💡 Gợi ý
ThS. Lê Thị Mai Nhi
(Người kiểm duyệt, ra đề)
Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Hoá Học THPT
Trình độ: Thạc sĩ Hóa học, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1
Kinh nghiệm: 10+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Chuyên Nguyễn Huệ